Моделирование производственного процесса

     Скавжину  крепят обсадными колоннами, спускаемыми  целиком или секциями (хвостовиками),  а колоны цементируют различными способами – сплошным, в две или несколько ступеней с разрывом во времени, двумя или более секциями, обратным способом.

     Каждую  скважину крепят в конкретных геологических  условиях, и геологические пласты , составляющие разрез , налагают определенные ограничения на процесс спуска  и цементирования обсадной колонны, нарушение которых приводит к различного рода осложнениям или авариям. Для реализации процесса используют оборудование и материалы с их ограниченными техническими характеристиками.Кроме того, гидродинамические процессы, происходящие в скважине при промывке, спуске, цементировании колонны и ОЗП, также влияют на выбор способа крепления.

     В качестве критериев, определяющих выбор  способа спуска колонны и ее цементирования, приняты грузоподъемность оборудования, допустимое время пребывания ствола скважины в необсаженном состоянии  и режим качественного цементирования обсадной колонны в один прием. Режим  цементирования зависит от пластовых  давлений и давлений гидроразрыва или  поглощения пластов, допустимого давления в устьевом оборудовании и технических  устройствах; режима течения тампонажного раствора, обеспечивающего качественное заполнение затрубного пространства; времени безотказной работы цементировочного оборудования.

     Многообразие  геолого-технических условий при  бурении нефтяных и газовых скважин, рост глубин, вызвавший, необходимость  закачивания больших объемов  тампонажных растворов в сжатые сроки, и повышение требований к  качеству работ по креплению обусловили применение широкой номенклатуры тампонажных цементов и химических реагентов, используемых в тампонажных растворах.

Выбор тампонажных материалов для цементирования обсадных колонн обуславливается литофациальной характеристикой разреза. Основными  факторами, определяющими состав тампонажного раствора, являются температура,пластовое давление, давление гидроразрыва, наличие солевых отложений, вид флюида и т.д.

     Для цементирования скважин необходимо применять только тампонажные материалы, выпускаемые промышленностью по технологическим регламентам и  удовлетворяющие требованиям соответствующих  стандартов.

     Буферные  жидкости повышают степень вытеснения бурового раствора из затрубного пространства скважины, предотвращая его смешение  с тампонажным раствором и удаляя часть глинистой корки со стенок.

     Буферную  жидкость выбирают согласно следующим  критерияям: типу основы бурового раствора (водная или неводная),  его плотности, температурным условичм в скважине , кавернозности ствола, высоте подъема тампонажного раствора, содержанию солей кальция в буровом растворе, наличию в разрезе высокопроницаемых пластов, протяженности перемычки между продутивным и водоносным пластами, наличию в буровом растворе  химических реагентов.

     Сборка  и спуск обсадной колонны –  ответственные этапы крепления  скважины. В общем случае они состоят  из следующих операций: сборка обсадных (при необходимости и бурильных) труб в колонну, установке на ней  элементов колонной и заколонной технологической оснастки, спуске колонны  на длину каждой трубы (с ограниченной скоростью спуска и интенсивностью торможения), промежуточных доливах  колонны и промывке скважины.

     Под понятием «технологическая оснастка обсадных колонн» подразумевается определенный набор устройств, которыми оснащают обсадную колонну для обеспечения  качественного ее спуска и цементирования.

      При гидравлическом расчете цеметирования должны выполняться технико-технологические требования к давлению в системе цементирования.

-          суммарное давление не должно превышать предельно допустимых давлений для цементировочной головки и цементировочного агрегата;

-          давление в затрубном пространстве должно быть меньше давления гидроразрыва пластов.

     Герметичность и прочность зацементированных  обсадных колонн проверяют созданием  внутреннего или внешнего избыточного  давления при нагнетании в колонну  жидкости или снижения уровня жидкости внутри колонны.

     Для обеспечения достоверной геологической  информации в перспективных интервалах выбирается комплекс геофизических  исследований. Выбор основного и  дополнительного комплексов зависит  от типа скважины, интервалов исследования, свойств бурового раствора.

     Заключительный  технологический этап при бурении  нефтяных и газовых скважин связан с испытанием продуктивных горизонтов. В комплекс работ по испытанию  входят создание гидравлической связи  скважины с пластами при наличии  закрытого забоя, выбор способа  вызова притока из пластов и при  необходимости методов активного воздействия на призабойную зону с целью устранения вредного влияния на продуктивные пласты процессов бурения при вскрытии.

     Перфораторы пробивают канал в продуктивном пласте через стенки обсадных труб и слой затрубного цементного камня. Различие геологических условий  породило необходимость создания широкой  номенклатуры перфораторов – бескорпусных разрушающихся, корпусных кумулятивных и т.д.

     При осуществлении перфорации возможны значительные деформации обсадной колонны, образования трещин в цементном  камне и нарушение их сцепления. Поэтому выбор способа перфорации и проектирования технологических  режимов должно проводиться только при соблюдении требований действующих  руководящих документов.

     Вызов притока из пласта осуществляют снижением  забойного давления. Выбор способа  вызова притока из пласта базируется на следующей исходной информации: глубина скважины (искусственный  забой); диаметр обсадной колонны; диаметр  колонны насосно – компрессорных  труб (НКТ); глубина спуска НКТ; пластовое  давление; пластовая температура; проницаемость  пласта; сведения об эксплуатационных особенностях пласта – коллектора; сведения о загрязненности призабойной  зоны пласта. В настоящее время  используются следующие способы  вызова притока из пласта: замена на раствор меньшей плотности; замена на газированную жидкость; замена на пену; снижение уровня жидкости в скважине. На основе выбора способа вызова притока  получают ответы на следующие вопросы: режимные показатели процесса (забойное давление и депрессия на пласт, темп снижения забойного давления, производительность агрегатов и давление нагнетания рабочих агентов, продолжительность  процесса); технические средства (номенклатура и количество); реагенты и материалы (номенклатура и количество); стоимость  работ[13]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Выбор оборудования и анализ эффективности процесса бурения

 

2.1  Выбор бурового оборудования  

     Характеристика  горных пород определяет выбор породоразрушающего инструмента и обусловливает необходимость проведения тех или иных мероприятий, способствующих нормальному (безаварийному) процессу бурения скважин. Рекомендации по выбору породоразрушающего инструмента (по областям рационального применения) были приведены выше при описании этих технических средств. 
    С учетом выбранного способа бурения, геолого-технических условий бурения скважины и ее конструкции выбирается породоразрушающий инструмент, вид промывочной жидкости, определяются оптимальные параметры режима бурения.  
 С учетом режима бурения, а также глубины скважины и ее диаметра выбирается тип бурильной колонны, определяется ее масса, а также необходимая для этих условий мощность привода бурового станка, а затем и тип бурового станка. Одновременно с разработкой конструкции скважины устанавливается наибольшая длина и масса обсадной колонны, оценивается возможность возникновения аварийных ситуаций, их характер и меры, необходимые для предупреждения осложнений и ликвидации аварий. 
   В зависимости от вида промывочной жидкости, ее расхода, необходимого для обеспечения оптимального процесса бурения, а также глубины и диаметра скважины, типа бурильной колонны определяются параметры бурового насоса и выбирается его тип. 
   Выбор типа буровой мачты или вышки обусловлен общей массой бурильной колонны и наибольшей массой обсадной колонны. Кроме того, при выборе следует учитывать наибольшие усилия, которые могут возникнуть в мачте от ветровых нагрузок и при ликвидации аварий в скважине[14].

     Схема выбора бурового оборудования и инструмента представлена на рисунке 1. 

Рисунок 1 - Схема выбора бурового оборудования и инструмента 

2. Эффективность процесса бурения

 

     Эффективность бурения при рационально выбранном типе породоразрушающего и технологического инструмента зависит от правильного сочетания параметров режима:

- частоты вращения бурового снаряда

- осевой нагрузки на инструмент

- расхода промывочной жидкости.

       Оптимальным режимом бурения является такое сочетание их значений, которое обеспечивает заданные (экономически обоснованные) механическую скорость бурения, проходку за рейс и расход материалов, не превышающий нормативного значения[15]. 
 Для решения особых технологических задач (повышение выхода керна, отбор технологических проб полезного ископаемого, управление трассой скважины, бурение в особо сложных геологических условиях и др.) применяют специальные режимы бурения.

     При разработке режима бурения необходимо учитывать следующие факторы:

- для каждого типоразмера породоразрушающего инструмента характерны свои оптимальные параметры режима бурения

- основное влияние на рациональное сочетание параметров режима оказывают твердость и трещиноватость горных пород: при выборе параметров режима бурения необходимо учитывать состояние скважины

- существенное влияние на выбор режима бурения имеют такие свойства горных пород, как анизотропия, косослоистость, сланцеватость, перемежаемость по твердости, способствующие искривлению скважины

- бурить породы с такими свойствами необходимо на специальных режимах.

Основные  правила подбора значений параметров режима бурения

     Исследованиями  и практикой установлено, что  во всех группах пород по буримости , в особенности - в I-III группах, механическая скорость бурения растет с увеличением частоты вращения до 2000 мин^-1 и более при алмазном бурении и до 400-450 мин^-1 при твердосплавном.

     Частоту вращения рекомендуется снижать:

- при бурении очень твердых пород, когда невозможно обеспечить достаточно высокие осевые нагрузки на породоразрушающий инструмент

- при бурении неоднородных, чередующихся по твердости пород

- при бурении в условиях зашламования

- при специальных режимах бурения

     Механическая  скорость бурения возрастает и с  увеличением осевой нагрузки на породоразрушающий  инструмент, но только до определенных пределов. Если она выше оптимальной, как правило, происходит резкое увеличение расхода истирающих материалов и даже разрушение коронок; скорость в данном случае может даже расти, но лишь за счет интенсивного износа инструмента. Осевые нагрузки ниже оптимальных, наоборот, приводят к зашлифовыванию резцов, что проявляется в быстром снижении механической скорости и прекращении проходки. 
 Оптимальное соотношение параметров режима бурения определяется для каждых конкретных горно-геологических и технических условий бурящейся скважины. 
 Методы поиска оптимальных сочетаний могут быть традиционными (ступенчатое изменение каждого параметра) или вероятностными (одновременное изменение двух или даже трех параметров). Последние в известной мере свободнее от субъективизма, чем первые.

      При традиционной методике разработки режима оптимальное значение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент выбирают из нескольких последовательно увеличиваемых нагрузок. На каждой ступени нагрузка должна увеличиваться на одинаковую величину, при этом пропорциональное увеличение механической скорости бурения показывает, что оптимальная нагрузка на коронку еще не достигнута.

     Снижение  механической скорости при переходе на следующую ступень показывает, что коронка начала работать в  условиях чрезмерного шламообразования. В этом случае необходимо уменьшить  осевую нагрузку на 1 ступень и перейти  на предыдущую нагрузку, которая в  данных условиях будет оптимальной.  
 При бурении пород пластичного и хрупкопластичного разрушения по достижении ступени нагрузки, при которой механическая скорость уменьшается, необходимо увеличить расход промывочной жидкости и искать нагрузки при увеличенных количествах очистного агента.

     Количество  промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, должно в первую очередь обеспечивать очистку забоя  от разрушенной породы. Недостаток очистного агента приводит к скоплению  на забое скважины шлама, который  препятствует нормальному процессу разрушения горной породы и приводит к неоправданному росту мощности, затрачиваемой на бурение. Чрезвычайно  большой расход промывочной жидкости вызывает наоборот быстрый вынос  частиц разрушенной породы с забоя, что приводит к нежелательным  явлениям размыва керна, эффекту  гидравлического подпора и другим. 
 Во всех случаях, с повышением механической скорости бурения должен увеличиваться расход жидкости, подаваемой на забой скважины. С увеличением твердости горных пород объем промывочной жидкости уменьшается. 
 В породах хрупких и упруго-хрупких (кристаллические, изверженные, метаморфические) бурение ведется на максимальной частоте вращения. В породах пластичного и хрупкопластичного разрушения (глинистые, песчаноглинистые сланцы, аргиллиты и другие породы), шлам которых обладает способностью налипать на коронку и спрессовываться, бурение необходимо вести на более низких частотах вращения в зависимости от диаметра коронки. 
 Частота вращения снижается при увеличении трещиноватости горных пород на 20-50% по сравнению с бурением в монолитных породах. Осевую нагрузку при бурении трещиноватых горных пород необходимо снижать до 40-50% от номинальной во избежание преждевременного выхода коронки из строя. 
 Заключительным этапом разработки технологии бурения является ее постоянное совершенствование на базе новейших достижений науки и техники. Среди методов совершенствования технологического процесса проведения скважин в первую очередь должны быть выделены те, которые существенно влияют на качество, производительность и стоимость бурения[2].